电子信息技术与生命科学的融合sc

电子信息技术与生命科学的融合摘要：本文主要介绍了电子克隆，基因芯片，电子细胞等三方面关于电子技术与生物学融合相关的内容。

生物医学电子学目前尚是一个采用单向移植和双科交融的边缘科学，从交叉学科的层次来看，尚处于较低的层次，但是它肩负着生命科学与信息科学两个自然科学领头羊的交叉任务，因此面向21世纪，人类必须运用创新的发散思维，即采用对现有科学的求异和批判思维，建立更开放的大学科观，以迎接21世纪的挑战。

关键词：基因芯片；电子细胞；电子克隆生命科学与信息科学将并肩齐驱，交叉配合领导其他科学技术进步。

今后科学发展的水平，在很大程度上取决于各个领域中的科学技术究竟能向人类自身的机体逼近到何种程度。

而在解决这一类问题中，21世纪的生命科学的研究成果将以特有的方式向自然科学的其它学科进行积极的反馈与报答。

1 基因芯片1.1 基因芯片技术及其发展生物芯片的概念由Fodor等人在1991年提出，是指能够快速并行处理多个样品并对其所包含的各种生物信息进行解剖的微型器件，它的加工运用了微电子工业和微机电系统加工中所采用的一些方法，只是由于其所处理和分析的对象是生物样品，所以叫生物芯片（Biochip）。

在生物芯片技术中，基因芯片技术建立最早，也最为成熟。

基因芯片，又称DNA微阵列（DNA microarray），是把大量已知序列探针集成在同一个基片（如玻片、膜）上，经过标记的若干靶核苷酸序列与芯片特定位点上的探针杂交，通过检测杂交信号，对生物细胞或组织中大量的基因信息进行分析。

其突出特点在于高度并行性、多样性、微型化和自动化。

高度的并行性不仅可以大大提高实验的进程，而且有利于DNA芯片技术所展示图谱的快速对照和阅读。

多样性可以在单个芯片中同时进行样品的多参数分析，从而避免因不同实验条件产生的误差，大大提高分析的精确性。

微型化可以减少试剂用量和减小反应液体积，降低实验费用。

高度自动化则可以降低制造芯片的成本和保证芯片的制造质量。

基因芯片的制备方法主要有两种：原位合成法和点样法。

从目前应用的情况来看，原位合成的基因芯片的密度高，重复性好，制备过程中的质量控制比较容易，但是成本较高。

而点样技术主要应用在部分没有商业化芯片的物种的基因芯片的制备，制备的成本较低。

原位合成的芯片是今后的一个发展和应用方向。

基因芯片的原位合成法是基于组合化学的合成原理，通过一组定位模板来决定基片表面上不同化学单体的偶联位点和次序，把腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）四种不同碱基的核苷酸按不同次序化学偶联在相应的位点，原位合成序列不同的寡核苷酸探针，形成DNA芯片。

该方法的优点在于精确性高，缺点是制造光掩蔽剂既费时又昂贵。

1.2 基因芯片技术的应用和发展趋势随着基因芯片技术的日渐成熟，在功能基因组、疾病基因组、系统生物学等领域中得到了广泛的应用，已经发表了上万篇研究论文，每年发表的论文呈现增长的趋势。

芯片制备技术极大地推进了生物芯片的发展，从实验室手工或机械点制芯片到工业化原位合成制备，从几百个点的芯片到几百万点的高密度芯片，生物芯片从一项科学成为一项技术，被越来越多的研究者广泛运用。

各个实验室不断产生海量的杂交数据，相同领域的研究者需要比较不同实验平台产生的数据，作为基于分子杂交原理的高通量技术，芯片实验的标准化、可信度、重现性和芯片结果是否能作为定量数据等问题成为所有的芯片使用者关心的课题。

迈阿密原则和微阵列质量控制系列研究回答了这两个问题。

迈阿密原则（MIAME，微阵列实验最小信息量）提出了生物芯片标准化的概念，该原则的制定使世界各地实验室的芯片实验数据可以为所有的研究者共享。

目前基因芯片的制备向两个主要方向发展。

第一，高密度化，具体表现为芯片密度的增加，目前原位合成的芯片密度已经达到了每平方厘米上千万个探针。

一张芯片上足以分析一个物种的基因组信息。

第二，微量化，芯片检测样品的微量化，目前芯片检测下限已经能达到纳克级总RNA水平，这为干细胞研究中特别是IPS干细胞对单个细胞的表达谱研究提供了可能。

另一方面，微量化也体现芯片矩阵面积的微量化，即在同一个芯片载体上平行的进行多个矩阵的杂交，大大减少系统和批次可能带来的差异，同时削减实验费用。

2 电子细胞2.1 电子细胞研究的发展电子细胞亦称虚拟细胞（Virtual Cell）。

它是在计算机上模拟真实细胞的结构、物质组成、生命活动的动力学行为和生命现象，用虚拟现实的方式实现友好人机交互，以便研究者构造细胞结构和其内外部环境物质组成，考察、记录细胞实验现象和功能，再现细胞生命活动和发现新的生物学现象规律。

因此，电子细胞亦称人工细胞，是人工生命的重要基础部分。

电子细胞是多学科领域的一项交叉学科技术，从广义上说，它应该属于新兴的生物信息学科范畴。

它包含了细胞生命活动信息的获取、处理、储存、分发、分析、综合和解释等在内的所有方面，它综合运用数学、信息科学技术和生物学的各种工具，来阐明和理解大量数据所包含的生物学意义电子细胞的实现极为复杂，它综合了生物学、生理学、生物化学、数学、物理学、化学和信息科学等多学科的理论知识，达到对细胞的结构和功能进行分析和整合的一门新兴交叉学科方向。

很明显，它是新兴的生物信息学和生命信息学研究的最重要内容之一。

电子细胞的发展大体上可以分为三个阶段，首先是构造阶段，这一阶段主要研究电子细胞的物质构成、基本功能模拟，细胞内外环境与组成物质的动力学行为特性知识库系统建立，方便的人机交互可视化界面及开放的网络设计支撑平台（包括计算的数学库，图像图形工具，网络通信工具、设计工具、计算环境、专业数据库等）；其次，是细胞功能行为模拟试验和优化完善阶段；第三是应用阶段，这一阶段电子的细胞已具备了强大的模拟真实细胞的能力，在细胞的类型、数量、种类上极为丰富，功能上也基本完善实用，成为医学、生物学、生化工程，能源和环境等领域实际应用的一种不可或缺的重要工具，是相应产业的重要支撑技术。

目前，国际上的主要工作仍处于第一阶段，即构造研究阶段。

2.2 电子细胞的研究内容电子细胞是在电子系统设备上，主要是计算机及其网络，模拟再现细胞生命活动的全过程，基本问题是细胞的生长、发育、繁殖和凋亡过程的建模模拟。

涉及细胞内外环境和细胞相关物质对细胞的生命活动的作用表现，这包括离子通道、信号传导、细胞的组成结构及相应功能，细胞内外物质活动和生化反应、基因表达、蛋白质、酶、能量物质等相互作用的动力学行为的真实再现。

（1）细胞组成、结构和功能建模。

主要问题是细胞的各组成成分物理结构、生化功能、物质流动、信号生成等，是对构成整个细胞的模拟模型有作用的各个有机成份及其相互结构功能作用的研究。

（2）细胞生命活动相关数据库及相应管理软件。

搜索、发现、整理和存贮细胞生命活动的相关试验测试数据，建立数据库，在此基础上创造出知识库，如基因相关、蛋白质相关、生化反应及其它反应链、代谢过程、细胞各物质组成及其相互作用的知识库。

这是逼真地再现和预测细胞生命活动的基础。

（3）细胞间通信和信号传导。

主要问题是对细胞生命活动信号的产生机理、传导机理和细胞间相互作用的建模、模拟和有关现象规律的研究。

（4）染色体和基因表达。

主要问题是细胞染色体活动的模拟、基因表达的产生条件、产生过程、动力学模型、基因的功能、遗传、变异规律等。

（5）蛋白质合成、结构分析预测。

从细胞基因出发，应用分子力学和分子动力学的原理建模，并观察发现蛋白质的结构规律、合成规则，分析已探明蛋白质的生成机理，预测和模拟产生新的蛋白质。

（6）细胞代谢过程模拟和分析。

主要是细胞的物质代谢和能量代谢过程的机理、生化反应、动力学建模，模拟分析等。

（7）分子进化和比较基因组学。

利用不同物种中基因序列的异同研究细胞中氨基酸序列甚至相关蛋白质的功能结构。

模拟这一过程，通过对比来研究分子进化和细胞进化。

近年来，由于较多模式生物基因组测序任务的完成，为从整个基因组角度来研究分子和细胞进化提供了条件。

（8）疾病诊疗。

生物的病变在很大程度上反映在细胞的病变。

研究细胞的物质成份组成和表型变化等来诊断病变，并采用多种手段在电子细胞上再现治疗控制过程，将对发现新的治疗和诊断方法有十分重要的作用。

这方面对人类健康意义重大，可望得到丰硕的成果。

（9）药物设计。

电子细胞的目的之一是可视化再现和阐明细胞生命活动的规律，刻划和预测细胞中各种成份的结构功能、相互作用以及与各种人类疾病之间的关系，以寻求各种防治药物和方法。

在电子细胞上进行药物设计和药理实验，既经济又快速安全。

如为了抑制某些酶和蛋白质的活性，可以在已知其结构的基础上，利用分子对接算法，在电子细胞上设计抑制剂分子，作为候选药物，这种发现新药的方法有强大的生命力，也有巨大的经济效益。

（10）其它。

如多细胞相互作用的动力学现象，细胞之间的相互作用影响，细胞营养和毒性研究，细胞的整个生命过程的建模和模拟，细胞相关的组织器官研究，高通量技术，在环保、能源、化工工程中的应用等，将逐渐成为并丰富电子细胞的重要研究内容，这里不再赘述。

2.3 作用意义及发展展望与建议2.3.1 电子细胞的作用和意义研究电子细胞是为了能使人们更好、更快地掌握和发现细胞生命活动的规律及知识，服务于医疗、教育、科学研究和社会生活。

它可以有以下明显的作用。

医疗：用于病变的早期预防、病变的诊断、疾病的治疗模拟、保健、新药物的实验和发明等。

建立正常和病理的电子细胞模型，不仅可以发现细胞内部活动和调节的生理机制，而且可以了解和揭示疾病发病过程，寻找到有效致病分子和标记分子，进行疾病的预警诊断，提出防治和干预措施，设计和试验新药物，发展新的生物高技术产业。

教育：电子细胞以其生动和可视化的表现形式可以改变传统医学生物学教学模式，部分代替和辅助传统医学生物学实验和教学，可以生动、直观、透彻、逼真地重现细胞生命活动的各环节。

在经济性和易用性上有显著的优势，甚至会成为将来教学实验的主要方式。

科学研究：采用电子细胞可代替或辅助真实细胞进行各种科学研究。

可实现实际实验中很难实现的条件，预测试验的结果，发现一些在真实细胞实验很难观察到的现象和规律。

因此，电子细胞亦是芯片上的生物实验室或研究所，在科学研究中的价值不可低估。

社会生活：电子细胞是一个多能的仿生环境。

应用电子细胞，可以观察环境因素对人体的影响及其作用途径，提出防治措施；应用电子细胞可以虚拟生物对能量的摄取和利用，指导能源的有效利用和开发。

可以虚拟和模拟基因和蛋白质的结构，预测基因和蛋白质的功能，加速新的物种、产品的开发等等，这一切对国民经济和社会生活都有重大的意义。

电子细胞是生命科学技术的重大突破，将使生命科学和信息学科的研究内容及方法手段产生革命性的创新。

虽然这一点在国内尚无明确的认识，但在国外已初现端倪。